以可靠度工程进行光学尺故障失效分析-AOIEA-工研院.PDF

以可靠度工程進行光學尺故障失效分析 董書屏 陳建文 戴鴻名 工研院量測中心 工研院量測中心 工研院量測中心 danieldong@itri.org.tw chaoster@itri.org.tw HMTai@itri.org.tw 摘要 根據可靠度工程需求，規劃專案可靠度作業 ，期能使研製工作達成精密光學尺可靠度技術之可靠 度規劃目標。並配合工具機高可靠度精密運動模組控制所需要之定位精度需求與穩定性，建立高解析 度定位光學尺感測器，基於已研發等柵距增量式光柵定位技術，導入可靠度工程設計分析與測試工程 技術，透過工程分析與反饋修正 ，重複修正設計或設計參數，提高精度對環境的抵抗能力，包括防水 /油氣的抵抗能力，抵抗震動對產品產生的失效能力。利用有線元素軟體計算金屬護罩結構振動分佈 ， 建立適合各種氣候的防塵、油、水外殼，減少干擾情形。依據使用情境需求，訂定測試方法及發展測 試設備及工具，來量化驗證產品，並建立提升光學尺定位感測可靠度的失效分析方法 。 關鍵字：光學尺,可靠度,工具機 壹、前言 開發高精度可靠度光柵定位感測技術及加工能力，建立工具機精密運動模組定位感測關鍵 零組件及整合技術，可大幅提升國內自主精密運動模組技術能力到次微米，降低依賴國際關鍵 零組件的成本優。本文討論於光學尺於產品設計、製造與組裝的過程中，導入可靠度工程技術， 找出可能發生故障原因 。透過故障分析手法提升光學尺的可靠度 ，更能進一步探討困難的精度 壽命問題 。當產品達到國際先進國家高階工具機的技術水準，可靠度的工藝水準可增加國產工 具機的附加價值與國際競爭力。雖國內生產製造的高階工具機精度規格已能達到國際先進國家 水準，惟精度壽命仍舊制約著我國高階工具機在可靠度面向的表現。通過工具機接合面穩定性 測試 ，找出故障關鍵。 貳、研究動機、目的及相關研究 工具機光學尺對於可靠性要求嚴格 ，對於使用者必須提供足夠環境境規格 。並也須提供使 用穩定不發生故障的保證 ，如何找出故障原因 ，透過學理分析找到足夠關鍵因素 。最佳狀況是 在設計階段已將穩定性設計納入 。給予失效影響、敏感性原因、危險因子條件，找出最先故障因 素。找出其各種可能失效模式，分析檢討設計過程中須採取失效預防及改正方法，並根據嚴重 性幅度，對可能系統故障發生進行分析 ，並確定所有影響關鍵項目 ，並加以記錄改善方法。透過 失效分析可快速及清楚找出故障程因，當然，在過程中失效模式可能會不斷變化，有串聯系統 的連鎖加成反應，或是並聯系統的備用程序，以此評定系統設計優劣，研發設計過程改善，效應 分析也須不斷更新，流程能展現其防止失效能力 。 叁、專題重要貢獻 透過計算光學尺可靠度分析手法 ，改善光學尺可靠性。 肆、架構 一、光學尺讀頭設計 依照高精密定位感測精度需求，最後讓位置信號穩定傳遞到控制器端，必須先分解各部件，展 開其壽命特性參數。光學尺原理是以載台在空間上的移動，轉換成光源和參考光柵之間的相對 關係，並將這個相對關係轉換成電子信號送出。因此擬定光學尺三大單元，經由環境測試，確認 信號品質。三大單元分別為: (1) 光學模組 : 包含二極體驅動電路、光源、鏡組、光柵、光感測器及電路 (2) 信號讀取電路模組 : 濾波、放大器等訊號處理電路。 (3) 防護外殼 : 金屬部、塑膠部 1 二 、光學模組分析 其中讀取頭光學模組包含發光二級體驅動電路,發光二級體光源,相關光學零件等如非球面鏡,分 光光柵,主光柵及光感測電路。而讀取頭電子模組包含電流變電壓模組,差動放大電路,濾波電路 及放大器,透過電子電路將訊號送至工具機控制器。而濾波電路除濾除相關雜訊外，部份包含穩 定訊號功能。主尺則是主光柵，讀取頭光學模組與主光柵可靠性設計以容差為考量。 三 、信號讀取電路模組設計 讀頭電子模組則以降低訊雜比為目